魏少軍：可重構計算晶片將助"中國芯"彎道超車

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「可重構計算晶片技術是集成電路領域非常有希望的差異化技術，具有廣泛適用性。

」在中國工程院主辦，西安交通大學和中國工程院信息與電子工程學部共同承辦的國際工程科技發展戰略高端論壇上，清華大學微電子學研究所所長魏少軍教授表示，其團隊已經和清華紫光等企業合作，預計在明後年能將可重構計算晶片產品正式推向市場。

魏少軍介紹，以專用集成電路為代表的專用計算根據特定的應用來定製電路結構，其執行速度快、功耗小、成本低，卻有一個致命缺陷——靈活性和拓展性差。

針對不同應用需要設計不同的晶片，設計周期長，投入研發成本也高。

而可重構計算晶片則讓晶片成了「變形金剛」——硬體跟著軟體變，軟硬體雙編程，根據不同的應用需求，實現「兵來將擋，水來土掩」。

比如說，「雙十一」即將到來，公眾想要愉快「剁手」，得仰賴電商公司強大的後台處理能力。

這時如果電商針對交易來配置系統以保障公眾購物體驗，當「雙十一」過去，這樣配置的系統處理起其他任務時表現可能就欠佳。

若採用可重構計算晶片來部署系統，則面對不同的應用需求，它可以自行變動，時刻保持最佳狀態。

魏少軍告訴記者，其團隊針對可重構計算晶片技術已經研究十年，得到了國家自然科學基金和「十一五」863重點項目支持，並研發出了高能效動態重構計算晶片。

目前，清華大學基於這一技術又研發出思考者（Thinker）多模態神經網絡計算晶片，魏少軍說，這是世界上首枚利用可重構計算晶片技術實現深度神經網絡學習的晶片。

「我們的可重構計算晶片技術在全球也處於領先地位。

」 魏少軍表示，他們的目標是面向專用集成電路市場，來進行通用晶片技術的研發。

「可重構計算晶片技術有望為解決晶片國產化問題找到一條差異化道路，真正實現『彎道超車』。

」魏少軍說。

什麼是可重構計算

要想看清楚新概念，就要先明了老概念。

可重構／異構計算到底新穎在哪裡，要首先看看它們的同伴「通用計算」。

所謂通用計算，就是追求普適性的覆蓋面。

在這個理念下誕生的晶片從功能上來講擁有最廣闊的適用範圍，最典型的例子就是今天的中央處理器（CPU）晶片，絕大多數應用程式的絕大部分功能依賴於它。

一般來說，CPU的設計是面向所有應用，評估CPU的性能指標時通常需要選取門類龐雜的各種測試程序，同時只為極少的重點應用加上一定程度的專門優化，例如時下熱門的加密解密，視音頻編解碼等等。

與通用計算相對的就是專用計算，專門針對一些場合進行專門優化，性能/功耗等指標通常比通用CPU有數量級的提高，但是適用面很窄，在規定的適用面以外就遠遠落後於CPU。

通用和專用的關係就如同什麼都懂一些但是基本上什麼都不精的「通才」，和在個別領域鑽研極深但是其他領域幾乎一無所知的「偏才」。

在CPU的技術指標增長逐步放緩的今天，若要提供更好的表現，一個直觀的點子就是物盡其用，讓「偏才」處理它最擅長的事情，並招來多種專長不同的「偏才」來照顧多種重點事務，其他事情則交給「通才」去完成。

一個系統裡面存在一個「通才」和多種「偏才」，這就是異構計算，是通用計算和專用計算的「合體進化「。

那麼可重構計算是什麼？讓晶片擁有重構自身的能力，從而能像幹細胞一樣一身才藝，能夠適應各種不同場合的需要，這就是可重構計算。

這一概念的歷史至少可以追溯到上世紀80年代，xilinx設計出第一塊基於SRAM的可重構晶片的時候。

這種晶片裡面的基本器件和線路上都配置了大量的開關，這些開關的關斷由與之相連的SRAM單元來控制，只要往這些SRAM單元裡面寫入0和1就能控制這些組件的開關和連通，從而像搭積木一樣在原來不存在計算部件的地方拼出大量按需定製的計算部件，使得計算性能產生爆發性的變化。

這種晶片被稱為FPGA，被廣泛用於CPU流片前的驗證工作。

那麼可重構計算和通用計算＼專用計算又是什麼關係呢？看上去可重構計算可以替代通用計算，實則不然。

由於FPGA晶片底層實現方式的限制，這種由SRAM控制組織結構的做法在性能上遠遠落後基於ASIC的CPU，只有在一些特定場合下，FPGA才能夠實現反超，因此，可重構計算便落入了專用計算的範疇，與異構計算同列。

它和異構計算雖然起源不同，但是二者眼下的目標在很大程度上是重疊的，也就是，從傳統通用計算的霸主——CPU嘴裡搶食。

清華聯手Intel打造可重構計算晶片

2015年四月份，清華大學與英特爾公司在工字廳正式簽署備忘錄建立戰略合作，宣布以英特爾的處理器架構（Intel Architecture）和清華大學的可重構計算（Reconfigurable Computing）研究成果為基礎，攜手推動擁有自主智慧財產權的基於可重構計算技術的新型計算硬體和軟體研發，以服務中國及全球的市場。

據報導，英特爾公司在處理器微架構、處理技術和相關軟硬體生態系統方面的創新及領先優勢，以及清華大學微電子所在可重構計算及系統晶片上的領先成果，是雙方達成本次合作的重要基石。

本次合作的目標，是要推進應用於英特爾x86架構的可重構計算關鍵技術的研究，建立演示樣品和產品原型，並推廣新一代計算架構及其商業應用。

而圍繞這一個目標，英特爾公司和清華大學的戰略研究合作，將從四個重點領域展開：一是針對中國和國際市場的需求開發高效、靈活、客戶可定製且適配於軟體應用的新型微處理器架構；二是為中國市場量身定製高度靈活的新型處理器平台、相關工具鏈和應用軟體；三是將可重構計算技術運用於英特爾架構處理器；四是通過增進清華學術和學生群體對英特爾產品技術的了解，催生其他潛在合作機會。

雙方已確定，將把基於現有英特爾架構處理器上的可重構計算技術研究，作為初期研究合作工作的重心。

清華大學微電子學研究所所長魏少軍教授表示：「英特爾架構已經在業界獲得了廣泛的認同和應用，將其與我們在可重構計算晶片技術上多年的研究成果相結合，探索新型計算晶片架構和應用，必將產生1+1>2的創新聚變效果。

」

英特爾公司全球副總裁兼中國區總裁楊敘表示：「本次合作展現出英特爾公司作為全球領先的微處理器提供商在支持中國本地創新上一直秉承的開放合作態度。

我們期待與清華大學的合作研發能夠產生豐碩的成果，支持中國的創新發展。

」

瞄準可重構/異構領域的國產芯能殺得進去嗎？

眾所周知，Intel在CPU上的優勢已經形成事實上的壟斷，x86指令集授權和Intel的技術優勢讓其他公司已經很難染指CPU市場。

而大家瞄準的突破口，就在專用計算上。

作為被Intel常年壓制的公司，AMD對異構計算的推動尤其熱心，不僅早早地將自己旗下的CPU產品重命名成APU（有直譯作加速處理器，也有意譯作融合處理器），而且還成立了一個HSA（異構系統架構）基金會，拉了ARM、Imagination、聯發科、德州儀器、三星、聯發科等眾多一線大廠一同上陣，主推一個叫做OpenCL的異構編程框架。

光從這一局部態勢來看，應該稱讚AMD下了一步好棋，但是AMD還有另外一個競爭對手NVIDIA。

NVIDIA的主營業務GPU，是異構計算這杆大旗下呼聲最高的異構處理部件。

也是對CPU地位威脅最大的，以至於在異構計算這個大概念下還催生了些個附屬的小概念如「GPU計算」、「GPU編程」，早幾年GPU計算還比較新奇的時候，還發生過Intel惱怒於NVIDIA肆意鼓吹GPU的並行優勢，公開發文撕逼的事情。

儘管Intel一直在提高CPU的SIMD能力、從而壓縮GPU的性能優勢，但是迄今為止頂尖GPU在實踐中對付頂尖CPU仍然能取得2-3倍或者更高的性能。

NVIDIA為自家的GPU打造了另一個異構編程框架CUDA，專門與OpenCL唱對台戲，而且呼聲更高，至少在高性能計算領域已經形成了對OpenCL的壓制態勢。

這麼一看，是AMD螳螂捕蟬，NVIDIA黃雀在後，然而，還有彈丸在其下。

前面提到，FPGA也被證明在一些專門領域具備對CPU的性能優勢，而FPGA取得性能優勢的領域也多是並行性比較好的，這也剛好是GPU的長處，這就與GPU打架了。

例如微軟等公司就已經為自己的數據中心加上了FPGA，使用OpenCL進行編程，這樣一來GPU又面臨著被挖牆腳的窘境。

從現狀看來，可以肯定的是，異構計算/可重構計算是當前的一個技術熱點，無論在學術研究上還是在工業實踐上都是如此，其市場空間是有的。

但是國產芯能從中收穫多少，則有待觀望

從格局上來講，專用計算主要弱點是應用場合有限，且GPU和FPGA存在互相競爭。

Intel現有的處理器可以在除了低功耗以外幾乎任意場合下提供不錯的性能，而可重構/異構計算的介入只是在一部分特定業務上再提供大幅加速 —— 這個應用範圍就決定了可重構/異構計算不可能替代中央處理器現有的角色，而只是一些特定場合下的附庸，Intel的地位仍然無人能動搖。

因此，對於晶片自給率從30%提升至70%的國家戰略目標來講，可重構/異構計算可以是其中漂亮的一塊拼圖，但是絕對無法擔主梁。

從商業上來講，可重構/異構計算的市場空間正在進一步被Intel壓縮。

Intel已經於去年年底完成了對FPGA雙巨頭之一Altera的167億美元收購，據報導內建FPGA模塊的新型xeon志強伺服器處理器會在今年一季度面世，以Intel + Altera雙強聯合的體量來說，可重構市場的市場份額絕大部分肯定不容旁落，除非Intel在定價或者出貨時間等問題上出現重大紕漏，國內新興的這些尚處在襁褓期的可重構計算公司將被迫在夾縫中求生存，這些公司的前景如何，很大程度上是受到Intel間接控制的。

所以一切都盡在不言中。

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